VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Использование газовых контактных теплообменников для глубокого охлаждения продуктов сгорания природного газа

Капанадзе И.А., Трефилова Д.С.

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ)

НижнийНовгород, Россия

USING Gas contact heat exchanger for deep cooling combustion products of gas

Kapanadze I.A.,Trefilova D.S.

Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU)

NizhniyNovgorod, Russia

Главными направлениями исследований в области энергетики в современном мире являются энергосбережение, постоянное совершенствование энергетических технологий и экономия топлива и других природных ресурсов.

В связи с ускоренным развитием газовой промышленности в России актуальной становится задача повышения эффективности использования природного газа. Одним из основных способов является утилизация теплоты уходящих газов топливосжигающих установок, в том числе котлов котельных установок. При правильной эксплуатации газифицированных котлов уменьшение потерь теплоты с уходящими газами возможно только путем снижения их температуры.

Для уменьшения температуры уходящих газов в различных топливосжигающих установках рекомендуется устанавливать утилизаторы теплоты – воздухоподогреватели, котлы-утилизаторы, водяные экономайзеры, различные поверхностные теплообменники рекуперативного и регенеративного типов. Однако при этом достигнуть глубокого охлаждения дымовых газов ниже точки росы весьма трудно. Для максимального использования энергии топлива необходимо использовать теплообменники контактного типа, в которых передача тепла от дымовых газов к подогреваемой среде происходит не через металлическую стенку поверхности нагрева, а путем их непосредственного соприкосновения.

Контактные теплообменники нашли широкое распространение благодаря простоте конструкции, компактности, малому расходу металла и сравнительно большой интенсивности теплопередачи. Их применение позволяет не только сэкономить на стоимости утилизатора и расходе металла на их изготовление, но и дает возможность охлаждения продуктов сгорания ниже точки росы, составляющей 50−60°С, и утилизации скрытой теплоты парообразования содержащихся в газах водяных паров. Количество скрытой теплоты парообразования составляет около 11% от низшей теплоты сгорания топлива. Использование контактных теплообменников является эффективным, так как:

−во-первых, продукты сгорания природного газа являются чистыми, потому что не содержат каких-либо загрязняющих твердых частиц;

−во-вторых, месторождения природного газа в России отличаются отсутствием серы, что приводит к отсутствию в продуктах сгорания S0₂ и S0₃. Отсутствие серы позволяет применить глубокое охлаждение продуктов сгорания до точки росы и ниже, которое нельзя использовать при твердых и жидких топливах из-за опасности кислотной коррозии металла.

В состав продуктов сгорания входят оксиды азота. При охлаждении продуктов сгорания ниже температуры точки росы будет образовываться азотная кислота. Следовательно, при прохождении охлажденных продуктов сгорания по газовому тракту и дымовой трубе может происходить процесс коррозии стенок газоходов и дымовой трубы. Для предотвращения этого процесса необходимо проводить дополнительные мероприятия и расчеты, зависящие от каждого конкретного случая.

Методы очистки уходящих газов от оксидов азота абсорбцией в полых распылительных аппаратах известны в химической технологии и применяются при производстве азотной кислоты. Но использование их для очистки продуктов сгорания топливосжигающих установок нецелесообразно с экономической точки зрения, так как для очистки 24 тыс.м³/ч газов необходима установка шести форсуночных абсорберов диаметром 2,5 м с общим объемом 420 м³. Для того, чтобы уменьшить площадь, которую занимают очистные устройства, используют контактные теплоутилизаторы, имеющие развитую поверхность вследствие загрузки слоя керамическими кольцами или другими насадочными элементами.

В газовом контактном теплообменнике при контакте продуктов сгорания с водой происходит растворение в ней части газов, входящих в состав продуктов горения. Поэтому горячую воду, полученную в газовом контактном теплообменнике, целесообразно использовать в системах, где она непосредственно не контактирует с человеком.

Газовые контактные теплообменники обычно применяют для приготовления подпиточной воды тепловых сетей и питательной воды котлов, для нужд производства и горячего водоснабжения, для нагрева воздуха в системах воздушного отопления и кондиционировании воздуха, а также для отопления теплиц.

Устройство газового контактного теплообменника зависит от конструкций агрегата, за которым он установлен, и дымовой трубы, а также схемы дымоходов. Основная часть газового контактного теплообменника − контактная камера, которая имеет большую поверхность контакта уходящих продуктов сгорания и воды и, как следствие, высокую интенсивность теплообмена в единице объема при определенном аэродинамическом сопротивлении.

Одним из эффективных способов очистки продуктов сгорания от оксидов азота являются контактные теплообменники с керамическими насадками. Рассмотрим их принцип работы. В теплообменниках данного типа главным элементом является контактная камера, в которой нагревается вода в результате соприкосновения ее с восходящим потоком горячих дымовых газов в слое насадки. Общим для всех этих конструкций является то, что в качестве насадки используются керамические кольца Рашига размером 25х25х3, 35х35х4 и 50х50х5 мм. Эти кольца являются простыми в изготовлении, устойчивыми к воздействию коррозии, имеют сравнительно небольшую стоимость.

Водораспределитель, установленный на некотором расстоянии от верха насадки, орошает насадку водой. Горячие газы от котлов вводятся в теплообменник (экономайзер) под слой насадки, лежащей на специальной решетке. Охлажденные газы отводятся из верхней части корпуса экономайзера, а горячая вода собирается в нижней части. Отвод горячей воды к потребителям или надальнейшую обработку производится на некотором расстоянии от дна (не менее 150−200 мм). На дне, которое может быть горизонтальным, а лучше − наклонным, устраивается штуцер для опорожнения экономайзера и продувки шлама. Движение газов через контактный экономайзер можно обеспечить только при условии применения принудительной тяги.

Во всех действующих экономайзерах применен противоток дымовых газов и нагреваемой воды, являющийся наиболее эффективным, т.к. он обеспечивает максимальное охлаждение газов и максимальный нагрев воды. Схематический чертеж экономайзера с керамическими насадками показан на рис.1.

1 — подвод горячих газов, 2 — выход охлажденных газов; 3 — подвод холодной воды, 4 — выход подогретой воды; 5 — спуск воды и продувка; 6 — переливная труба с гидравлическим затвором, 7 — насадка из керамических колец: 8 — корпус экономайзера, 9 — каскадный дегазатор с гидравлическим затвором, 10 — газоотводящие трубы; 11 — влагоуловитель

Рис.1. Схема контактного экономайзера

Экономайзер представляет собой камеру, верхняя часть которой заполнена насадкой из колец, уложенных на решетке, изготовленной из стальных прутков диаметром 6−8 мм. Холодная вода с помощью водораспределителя, установленного над насадкой, подается равномерно по сечению контактной камеры. Стекая по кольцам, вода подогревается восходящим потоком газов и собирается в нижней части экономайзера. Охлажденные газы дымососом удаляются в дымовую трубу. Дымовые газы проходят неорошаемый слой колец, служащий каплеуловителем, чтобы предотвратить вынос капель воды на выходе из контактной камеры.

Между рабочей насадкой и водяным объемом экономайзера предусмотрен встроенный дегазатор, служащий для удаления из подогретой воды части углекислоты и других газов, которые могут раствориться в воде при ее контакте с продуктами сгорания. Для уменьшения парциального давления этих газов над поверхностью воды предусмотрена продувка дегазатора воздухом и постоянный отсос газовоздушной смеси с помощью газоотводящих труб, вваренных в корпус экономайзера за насадкой. Дегазатор отделен от собственно контактной камеры гидравлическим затвором, высота которого должна соответствовать разрежению под насадкой (обычно не более 150−250 мм). В дне гидравлического затвора имеется спускная труба с вентилем, вынесенным за пределы корпуса экономайзера.

Эффективность очистки от оксидов азота достигает до 70%. Недостаток способа заключается в образовании неулавливаемых конденсационных аэрозолей, следствием чего является малая эффективность улавливания диоксида азота.

Таким образом, применение контактных теплообменников обеспечивает глубокое охлаждение продуктов сгорания газа ниже точки росы и тем самым повышает коэффициент использования топлива на 10−15%.Кроме того, как показали многолетние наблюдения, благодаря прямому контакту дымовых газов и орошающей воды такие теплообменники способны одновременно выполнять задачу очистки газов от твердых включений и части газов, растворимых в воде.

Список использованных источников

1. Аронов И. З. Контактные газовые экономайзеры. - Киев: изд-во "Техника", 1964. - 172 с.: ил.

2. Аронов И. З. Использование тепла уходящих газов газифицированных котельных. – Москва: изд-во "Энергия", 1967. – 192 с.: ил.

3. http://www.c-o-k.ru/articles/ustanovka-kontaktnyh-ekonomayzerov-kak-sposob-umen-sheniya-vybrosov-oksidov-azota